19.4. Учебное задание на системотехническое проектирование

Особенности системотехнического проектирования удобно рас­смотреть на примере.учебного задания на проект ИИС (это учеб­ное задание выдается студентам старшего курса). Заданы условия на проведение измерительного эксперимента. Необходимо соста­вить, обосновать и согласовать с заказчиком техническое задание на проектируемую разновидность ИИС, разработать основную часть технического предложения по реализации сформулирован­ного ТЗ, включая компоновочное проектирование, и защитить его.

Исходные технические условия на проведение измерительного эксперимента

Необходимо произвести количественную оценку параметров ис­следуемой величины (температуры, перемещения, деформации), распределенной по плоскости и изменяющейся во времени x(h, k, t). Известными являются динамический диапазон, наи­большее изменение величины на единицу длины (Дх/Д/)_шах и

ix(iulz,t)

iT+Xrnox_ _ JZUijlz, t-_ti-At)

—A£-)r~u

—)

/ / / /

/Г х(1ф^1) /]/

_Jf—Z^-T

<-Z\ -

/

.У

_iz

-Рис. 19.3. Исследуемая величина

+Длр уЛ
-hnpyS		№
	Hi				oimin
					'Zmin

м

х-, _(Ax\

max

Рис 19.4. К определению простран­ственной частоты

наибольшая частота изменения fma_X исследуемой величины. На рис. 19.3 показаны состояния исследуемой величины в моменты времени t_{ и У,-}-Д£. С определенной погрешностью можно считать, что в течение времени At состояние входной величины не изме­нилось.

Для распределенной в пространстве величины иногда (напри­мер, для спектрального ее анализа) вводится понятие пространст-

венной частоты, оценивающей количество периодов изменения этой .величины, приходящееся на единицу длины. Если заданы (Ах/Ы)max и абсолютная погрешность квантования исследуемой величины по пространству ±Д_пр, то в этом случае наибольшая пространственная частота, 1/м,

(fl)max=ll (Tl)min== (АЛГ/Д/)_таЛ/2(±Д_пр) .

За исключением особо оговариваемых случаев, можно считать, что исследуемые величины обладают стационарными и эргодиче-■скими свойствами, подчинены нормальному закону распределения вероятностей, корреляционная функция исследуемой величины •близка к экспоненциальной.

Наименьший период изменения исследуемой величины (Ti)_min= — (2*Si)mi_n показан на рис. 19.4.

Количественные характеристики исследуемых величин приво­дятся ниже в табл. 19.2.

Таблица 19.2. Характеристики исследуемых величии

Исследуемая величина	Динамический диапазон	№	Максимальное приращение на единицу длины	Макси­мальная частота изменения, ГЦ
Температура	— 100-=-100 °С	IXI	50°С,.м	0,2
Температура	5Э0—1500 °С	5X5	303° С/м	5
Температура	0—1000 е С	10X10	150°С/м	I
Деформация	—10~Зч- +Ю~~3 мм мм	'XI	2- Ю-"3 (mm;mm)/m	10
Перекещение	0—100 мм	5X5	20 мм/м	5
Перемещение	— ЮОС-н+ЮОО мм	юхю	200 мм/м	I

При проектировании нужно учесть, что разность потенциалов между точками заземления исследуемого объекта и измерительной ■части может достигать 0,5 В, кроме того, имеются поперечные по­мехи высокого уровня.

Необходимо определить следующие параметры x(l\, /₂, t):

X — минимальное (сжатое) количество дискрет х{1\, U, I), опи­сывающих распределенную по плоскости величину в заданное вре­мя ti\

Х_п — координаты изопараметрических кривых для заданного t_t зи изменяемых уровней анализа, количество уровней анализа не менее 32;

Х_э — координаты и значения общих экстремумов при фиксиро­ванном ti,

Х,пах — координаты и максимальные значения для интервала времени &T=Nlf_max;

Мх{1), M_x{t) — математическое ожидание нестационарных слу­чайных процессов по пространству и во времени;

D_x(l), D_x(t)—дисперсию нестационарных случайных процессов по пространству и во времени;

fi(^x)> ft{x)—дискреты одномерной плотности распределения вероятностей пространственной кривой и функции времени;

Rx(Al), Rx(x)—коэффициенты корреляции пространственной кривой и функции времени;

Rxix2(&l), Rx\x2(t)—коэффициенты взаимной корреляции про­странственных кривых и функций времени;

Gx(fi), Gx(f)—дискреты спектральной плотности мощности;

K(l, t) —координаты исследуемой величины, вышедшие за пре­делы установленной зоны, в зависимости от времени выхода t.

Желательно провести определение указанных параметров с погрешностью 6i = ±0,5% или б2=±1,5%.

Расстояние между объектом исследования и оператором: Li= = 50 м, Z,2 = 50 км (проводной канал связи), L₃^;=100 км (радио­канал).

Индивидуальные задания содержат название исследуемой ве­личины, цель измерения, погрешность и расстояние L. Например, индивидуальное задание Д, X, 6i, L₂ предусматривает проектиро­вание телеизмерительной системы, предназначенной для измере­ния и передачи минимального (сжатого) количества значений де­формаций и соответствующих координат в ограниченное время с погрешностью не более ±0,5%.

Указания к разработке технического задания на проектируемую систему

Техническое задание на проектируемую систему разрабатыва­ется на основании анализа исходных технических условий на изме­рительный эксперимент, а также дополнительных данных, которые при необходимости могут быть получены у заказчика. Если трудно выполнить заданные условия на современном техническом уровне, то необходимо представить предложения по их изменению.

Погрешности результата измерений определяются совокупно­стью методических погрешностей, зависящих от характера иссле­дуемой величины и применяемых методов и средств измерения, а также погрешностей проектируемой системы.

К основным источникам методических погрешностей результа­та измерения какого-либо параметра пространственно распреде­ленной величины можно, например, отнести:

расстояние ^между точками измерения, зависящее от погрешно­сти квантования по пространству;

интервал времени, в течение которого исследуемая величина с выбранной погрешностью может считаться постоянной;

ограниченность объема выборки дискрет исследуемой величины,

дискрет искомой характеристики (корреляционной функции, плот­ности распределения вероятностей и т. .п.).

Естественно, значение методической погрешности результата измерения будет различным в зависимости от конкретных особен­ностей измерительного эксперимента. Для того, чтобы ее можно было оценить, в ТЗ необходимо привести соответствующие харак­теристики проектируемой системы (минимальное расстояние меж­ду точками измерения, время измерения, количество точек изме­рения и объем выборки дискрет исследуемой величины, количе­ство дискрет искомой характеристики и т. п.). Если по каким-либо веским основаниям выбранные характеристики проектируемой си­стемы отличаются от расчетных (например, количество точек из­мерения сокращено до практически выполнимого), в пояснитель­ной записке к ТЗ должны быть приведены значения связанных с этими характеристиками методических погрешностей.

Кроме этих характеристик в ТЗ должна быть представлена по­грешность измерения собственно проектируемой системы. Эта по­грешность будет определяться погрешностями датчиков, измери­тельных цепей и всех иных аналоговых и цифровых измеритель­ных преобразователей, входящих в систему. Особо следует огово­риться, что методические погрешности, связанные с использовани­ем датчиков, могут включаться в ТЗ по согласованию с заказчи­ком. Если они не включены, это должно быть указано в ТЗ.

Методические указания к разработке технического предложения на проектируемую систему

При разработке технического предложения целесообразно при­держиваться определенной последовательности, приводимой ниже.

88. Распределить заданную погрешность и время измерения меж­ду основными преобразованиями в системе.

89. Провести сравнение датчиков, имеющих технические харак­теристики, необходимые для восприятия и преобразования в изме­рительный сигнал исследуемых величин. Выбрать датчики, обла­дающие лучшими характеристиками [7.14].

90. Рассмотреть измерительные схемы, позволяющие получить необходимую измерительную информацию, предусмотреть меры по уменьшению влияния продольных и поперечных помех до допусти­мого уровня.

91. Произвести уточнение произведенного ранее распределения точностных и временных характеристик между преобразованиями, выполняемыми в системе.

92. Рассмотреть варианты структур систем, различающиеся по следующим признакам:

а) алгоритму сбора информации (параллельный, последова­ тельный, параллельно-последовательный, мультиплицированный принципы);

б) аппаратурной (специализированной) или программной об­ работке информации;

в) виду используемого интерфейса (КАМАК, приборный, по­ следовательный) ;

г) виду модуляции сигнала в канале связи.

При сравнении вариантов нужно составить структурные схемы и (при необходимости) алгоритмы работы систем, оценить полно­ту удовлетворения ими заданных технических характеристик. Вы­бранный вариант системы должен иметь наименьшие сложность и трудоемкость изготовления.

Если ни один из вариантов системы не удовлетворяет задан­ным техническим характеристикам, то следует выбрать вариант, наиболее приближающийся к их удовлетворению. В этом случае нужно обосновать, предложить и согласовать соответствующее из­менение ТЗ.

После выбора варианта системы нужно выполнить его прора­ботку, включающую:

составление развернутой структурной схемы системы в при­нятых обозначениях с указанием наименования типовых выпускае­мых промышленностью функциональных блоков, их динамических диапазонов и погрешностей; в случае если функциональный узел не выпускается промышленностью, то составляются его техниче­ские характеристики;

составление СЛСА выбранного варианта системы с выделением на ней выполняемых программным способом преобразований, а также времени выполнения основных операторов; желательно со­ставить СЛСА по обмену информацией между функциональными блоками в принятом интерфейсе.

В заключение отметим, что разработка технического предло жения производится лишь после согласования ТЗ (следует ска­зать, что в процессе выполнения технического предложения может встретиться необходимость корректировки ТЗ) и что выполнение проекта в полном объеме может потребовать значительного вре­мени (поэтому индивидуальное задание может корректироваться заказчиком).

Опыт выполнения проектов по приведенным выше условиям показывает, что наибольшие трудности при этом представляет рассмотрение погрешностей и быстродействия (включая ЭВМ) си­стем.

Системотехническое проектирование ИИС должно опираться на материалы теоретических основ информационной и, особенно, информационно-измерительной техники. В настоящее время име­ется литература, позволяющая получить знания, необходимые для теоретического рассмотрения широкого круга вопросов, возникаю­щих при системотехническом проектировании ИИС [19.9—19.15].

В этом разделе книги, которая, по существу, вся посвящена системотехническому проектированию ИИС, решено привести в сжатом виде основные теоретические материалы справочно-реко-мендательного плана по оценкам, методам и средствам поверки точностных характеристик и быстродействию систем.

Г л а в а 20

ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ